CN106312574A - 一种大幅面零部件的增减材复合制造设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大幅面零部件的增减材复合制造设备，包括床身，床身上安装有多个用于增材制造的六自由度倒挂机器人和五轴联动龙门铣床，多个倒挂机器人分布在龙门铣床的铣削头周围；倒挂机器人上设有增材制造设备，所使用的热源可以是高功率激光束或者电弧；增材制造设备在工作平台上进行单层或多层毛坯体制造，龙门铣床铣削头对单层或多层的毛坯体进行精加工和修整。本发明克服了大幅面复杂零部件铣削加工的困难和增材制造技术在尺寸和形状等方面的不足。同时，增材制造工艺和减材制造工艺既可独立进行，也可分区域同时成形。设备集成化高，协同控制操作方便，能够实现对大幅面及超大幅面复杂零部件的一体化快速高效精密成形。

Description

一种大幅面零部件的增减材复合制造设备

技术领域

本发明涉及增减材复合制造设备技术领域，尤其涉及多个电弧增材或激光熔化沉积增材和龙门铣复合制造大幅面复杂零部件设备。

背景技术

电弧增材制造是利用电弧热源将金属丝材融化，并按照离散材料逐层堆积的原理来成型金属零件。激光熔化沉积增材制造是应用高功率激光束将金属粉末熔化，也是按照离散材料逐层堆积的原理来成型金属零件。

与传统制造相比，增材制造技术是以材料逐点逐线逐面增加方式实现复杂零件的堆积成形的工艺过程。与其它金属增材制造相比，电弧增材制造技术设备成本低、成型效率高、材料利用率高、环境要求低，成型零件致密度高、冶金综合性能优良等优点。

但是，电弧增材制造是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的，在成型过程中有液态熔池的存在，使得零件的边缘形态和整体尺寸的控制比较困难，从而导致成形零件的尺寸精度和表面质量较差。

另一方面，基于自动送粉激光熔化沉积增材制造技术近年来发展也十分迅速。但是，该技术与电弧增材制造技术存在类似的问题，就是尺寸精度偏低。如何进一步提高精度，也成为决定该技术能否大规模工业应用的关键。

当前，为解决以上问题，专利CN104384936、CN105414981、CN105290789等将电弧增材制造设备的末端集成到数控铣削主轴上去，以实现增减材的交替制造，能部分解决零部件的二次加工装夹困难。但是，存在定位不准确，成形零部件的尺寸精度和表面质量较差。对于内部结构复杂的部分零部件，刀具很难加工到位。德国DMG公司将激光熔化沉积技术与五轴数控铣床相结合，可以大幅度提高激光增材制造的精度，成果显著。但是，所能够适应的金属零部件尺寸相对较小。另外，专利(CN105574254)提出了一种用单台机器人实现增减材复合制造的方法，有效扩展了成形零部件的尺寸大小，但是成形效率仍然偏低。

特别是对于大幅面复杂零部件的精加工，上述的增减材设备操作复杂，增材制造和铣削加工只能分开进行，加工效率较低。同时，对增材制造设备的制造空间和自由度有很大的限制，另外由于受限于机器人本身的刚度不足，机器人的铣削精度和效率较低。所以，上述的增减材设备和方法很难满足制造大幅面复杂零部件尺寸和复杂度的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大幅面零部件的增减材复合制造设备，旨在解决现有增材制造技术加工的零件尺寸精度和表面质量差，以及大幅面复杂零部件的精加工难以进行的问题。所适合的热源既可以是电弧熔丝成形，也可以是基于自动送粉的激光熔化成形。

本发明是这样实现的，一种增减材复合制造设备，其特征在于，包它括床身，所述床身上安装有多个用于增材制造的六自由度倒挂机器人和多轴联动龙门铣床；所述多个倒挂机器人分布在所述多轴联动龙门铣床的铣削头周围；多个所述倒挂机器人上设有增材设备；多个所述增材设备在工作平台上进行分区域协同增材制造；所述龙门铣床的铣削头对单层或多层的毛坯体进行精加工和修整，两者交互或同时进行直至完成整个零部件的生产制造；所述的多个倒挂机器人由共同的机器人控制器进行协同控制，所述的机器人控制器和所述的增材设备中的控制器进行通信，实现增材制造的自动化，所述的机器人控制器和五轴联动龙门铣床的数控系统进行通信，二者进行协同运动。

进一步地，根据所使用的热源不同，增材设备可分为电弧增材制造设备和激光熔化沉积增材制造设备。

所述电弧增材设备包括焊机、送丝机构、焊枪和焊机控制器，所述焊枪安装在多个所述倒挂机器人的末端法兰盘上，送丝机构用于为焊机提供焊料，自带或外配的保护气为焊接区域提供保护气氛，焊机控制器用于进行电弧增材制造工艺参数的设定，同时保护气的开关进行控制，对焊机和送丝机构进行实时控制。

所述激光熔化沉积增材设备包括激光器、激光器控制器、同轴送粉喷嘴和送粉器，所述同轴送粉喷嘴安装在多个所述倒挂机器人的末端法兰盘上；送粉器用于为增材设备提供金属粉末，自带或外配的保护气为熔化区域提供保护气氛，激光器控制器用于进行激光器参数的设定，同时对保护气的开关进行控制。

进一步地，所述的多个倒挂机器人由共同的控制器进行协同控制，多个机器人可以根据零件不同的特征进行分工，根据工作任务和特征的复杂程度，合理规划各个机器人的成形轨迹，实现机器人工作的最大效率；所述的机器人控制器和所述的焊机控制器(激光器控制器)进行通信，共同实现增材制造，每个机器人对应的焊机控制器(激光器控制器)根据所分配的零件特征段进行设定各自的工艺参数和材料，可满足不同工艺参数同时工作，不同材料的同时复合成形，实现增材制造的灵活化制造；所述的机器人控制器和龙门铣床的数控系统进行通信，二者根据已成形毛坯的温度场分布进行协同运动，实现复合制造设备的高效率、高精度工作。

与现有技术相比，本发明提供的一种大幅面零部件的增减材复合制造设备，利用多个增材制造倒挂机器人分区域逐层协同制造后，利用龙门铣床的铣削头对多个单层或多层毛坯体进行铣削加工，循环重复直至零部件加工完毕，该增减材复合制造设备将传统的以铣削为主的去除式精密加工与以增材制造为主的增量制造工艺集成为一体，既能克服单纯的增材制造技术在尺寸精度和表面质量等方面的缺陷，也可以克服铣削加工对零部件复杂程度等方面的制约，这样，则不需要对加工后的零件进行二次加工，避免后期加工装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题，为增材制造技术的应用带来了更加广阔的应用空间，为航空航天产业核心精密零部件的生产制造提供新的方法和手段；且针对超大幅面的零件，则可以充分利用多个增材制造设备进行分区域协同加工，再利用龙门铣床对形成的多个单层或多层毛坯体进行精加工等，从而实现对任意结构零部件的高精度、高效率成型。

与现有的增减材复合制造设备相比，本发明提供的一种大幅面零部件的增减材复合制造设备，对于大幅面或超大幅面的复杂零部件的制造，所述的增材设备可以更灵活地和龙门铣床进行协同配合或独立工作，设备控制操作方便；同时，可根据零部件的结构，增材制造设备可以分区域同时进行加工，极大的提高了加工效率；多个所述的倒挂机器人也能充分发挥增材制造设备的灵活性和可扩展性，满足大幅面尤其是超大幅面的复杂零部件尺寸和复杂度的制造要求。

附图说明

图1是本发明实施例中大幅面零部件的增减材复合制造设备单柱三梁双机器人结构的示意图；

图2是本发明实施例中大幅面零部件的增减材复合制造设备的电弧增材制造组的组成示意图；

图3是本发明实施例中大幅面零部件的增减材复合制造设备三柱三梁双机器人结构的示意图；

图4是本发明实施例中大幅面零部件的增减材复合制造设备三柱三梁四机器人结构的示意图；

图5是本发明实施例中大幅面零部件的增减材复合制造设备单柱三梁四机器人结构的示意图；

图6是本发明实施例中大幅面零部件的增减材复合制造设备带成形腔室结构的示意图；

图7是本发明实施例中大幅面零部件的电弧增材制造设备单柱单梁双机器人结构的示意图；

图8是本发明实施例中大幅面零部件的电弧增材制造设备单柱双梁双机器人结构的示意图；

图9是本发明实施例中大幅面零部件的电弧增材制造设备单柱三梁四机器人结构的示意图；

图10是本发明实施例中大幅面零部件的增减材复合制造设备的激光熔化沉积增材制造组的组成示意图；

图中，1-工作平台、2-床身、3-铣削头、4-电弧增材制造组、5-机器人控制器、6-焊机、7-焊机控制器、8-送丝机构、9-保护气、10-倒挂机器人、11-焊枪、12-成形腔室、13-激光器、14-激光器控制器、15-同轴送粉喷嘴、16-送粉器

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2、图3所示，为本发明提供了一种较佳的实施例一。

本实施例提供的增减材复合制造设备，复合了电弧增材制造及龙门铣削加工，其可以用于成型各种零件，如航空航天制造工业所需的零件等。

大幅面零部件的增减材复合制造设备包括一个床身2，床身上安装有多个用于电弧增材制造的六自由度倒挂机器人10和五轴联动龙门铣床，多个倒挂机器人10分布在龙门铣床的铣削头3周围；倒挂机器人10上设有焊枪11；焊枪11在工作平台上进行单层或多层电弧增材制造。龙门铣床铣削头3对已完成的单层或多层毛坯体进行精加工和修整，工作平台1完成毛坯体两个区域的来回运动以及自身的旋转运动。

电弧增材设备是现有技术，包括焊机、焊机控制器、送丝机构、保护气、焊枪，所述焊枪安装在多个所述倒挂机器人的末端法兰盘上；焊机控制器进行电弧增材制造工艺参数的设定，如送丝速度、弧长修正、脉冲修正、焊接模式的选择等，同时对保护气的开关进行控制，对焊机、送丝机构进行实时控制。

倒挂机器人10的数量依据设备所要加工的范围和倒挂机器人10的臂长来确定，倒挂机器人10以铣削头为中心，按两边对称分布或根据工件要求非对称分布来确定安装位置，四个机器人的安装结构还要考虑支撑梁结构，避免发生干涉，其分布位置是两个机器人和铣削头位于同一个梁上，另两个机器人分别位于另外两个梁上，如图4、图5所示。

机器人控制器9进行协同控制两个倒挂机器人10，两个机器人根据零件不同的特征进行分工，根据所分配的工作任务及特征的复杂程度，合理规划各个机器人的成形轨迹，实现机器人工作的最大效率；机器人控制器5和焊机控制器7进行通信，共同实现电弧增材制造，每个机器人10对应的焊机控制器7根据所分配的零件特征段进行设定不同的工艺参数和材料，可满足不同工艺参数同时工作，不同材料的同时复合成形，实现电弧增材制造的灵活化制造；所述的机器人控制器5和龙门铣床的数控系统进行通信，并根据已成形毛坯的温度场分布进行协同运动，实现复合制造设备的高效率、高精度工作；已成形的毛坯位置的改变可通过工作平台1的来回和旋转运动来实现。

在实际加工过程中，其具体操作过程如下：

1)、将金属基板固定在工作平台1上，根据零件不同的特征和所需的工作量，两个六自由度倒挂机器人10进行分工，按照各自的加工要求编写机器人程序，据所分配的工作任务及特征的复杂程度，合理规划各个机器人的成形轨迹，同时对两个机器人的工作区域设定安全区域，避免两个机器人干涉；焊机控制器7根据对应的机器人10所分配的零件特征段进行设定各自的工艺参数和材料，机器人控制器5和焊机控制器7建立通信，六自由度倒挂机器人10和焊枪11进行协同在工作平台1上进行电弧增材制造，形成单层或多层的毛坯体后，机器人控制器5给龙门铣床的数控系统发送加工指令，同时测量毛坯体各个指定位置的温度，同时把实时数据发送给龙门铣床的数控系统。

2)、龙门铣床的数控系统接收到机器人控制器5发送的加工指令和毛体各点的温度后，根据单层或多层毛坯体所要求的尺寸和表面精度以及毛坯的温度变化规律进行路径规划，同时移动工作台，将已成形毛坯体移动到龙门铣床铣削头3的工作区域，然后等待毛坯体的各个测量点的温度达到所设定的温度线后，龙门铣床铣削头3对单层或多层的毛坯体的轮廓进行精加工，同时对毛坯体的上表面进行修整，保证下一次电弧增材制造基准面的准确定位。待毛坯体所需的加工完成后，龙门铣床的数控系统给机器人控制器5发送下一步可以开始加工的指令。其中温度线的设定依据材料的加工性能和刀具的寿命来确定。

3)、重复循环上述步骤1)及步骤2)，一直到最后零部件的加工完毕。

在加工大幅面零件时，上述的操作步骤1和步骤2也可以同步在不同的工作位置进行，通过工作台的来回和旋转将已成形的毛坯体部分移动到龙门铣床铣削头3的工作区域，根据温度线的控制实现增材制造和铣削加工有序高效的交接，充分利用材料在最佳温度下的良好的加工精度和表面质量，同时有效减少增材制造和铣削加工之间的等待时间。

如图6所示，为本发明提供了一种较佳的实施例二。

本实施例的加工工艺同实施例一，在外围增加了一个成形腔室，用于制造对加工环境要求苛刻的零部件，如易氧化的钛合金、镁铝合金等。

如图7、8、9所示，为本发明提供了一种较佳的实施例三。

本实施例的加工工艺同实施例一中的增材制造，用于单纯的电弧增材制造。

如图10所示，为本发明提供了一种较佳的实施例四。

本实施例提供的增减材复合制造设备，复合了激光熔化沉积增材制造及龙门铣削加工，其可以用于成型各种零件，如航空航天制造工业所需的零件等。

大幅面零部件的增减材复合制造设备包括一个床身2，床身上安装有多个用于激光送粉增材制造的六自由度倒挂机器人10和五轴联动龙门铣床，多个倒挂机器人10分布在龙门铣床的铣削头3周围；倒挂机器人10上设有同轴送粉喷嘴15；同轴送粉喷嘴15在工作平台上进行单层或多层激光送粉增材制造。龙门铣床铣削头3对已完成的单层或多层毛坯体进行精加工和修整，工作平台1完成毛坯体两个区域的来回运动以及自身的旋转运动。

激光送粉增材设备是现有技术，激光器、激光器控制器、同轴送粉喷嘴、送粉器、保护气，同轴送粉喷嘴安装在倒挂机器人的末端法兰盘上；激光器控制器进行激光器参数的设定，同时对保护气的开关进行控制，对同轴送粉喷嘴、送粉器进行实时控制。

该增减材复合制造设备将传统的以铣削为主的去除式精密加工与以增材制造为主的增量叠层制造工艺集成为一体，既能克服单纯的增材制造技术在尺寸精度和表面质量等方面的缺陷，也可以克服铣削加工对零部件复杂程度等方面的制约，这样，则不需要对加工后的零件进行二次加工，避免现时装夹困难、加工误差大、加工时零件出现变形以及难以加工的问题，为增材制造技术的应用带来了更加广阔的应用空间，为航空航天产业核心精密零部件的生产制造提供新的方法和手段。

另外，对于超大幅面的零件，则可以充分利用多个增材制造设备进行分区域协同加工，再利用龙门铣床对形成的多个单层或多层毛坯体进行精加工等，从而实现对任意大尺寸零部件的高精度、高效率成型。

对于本实施例提供的大幅面零部件的增减材复合制造设备，采用一个龙门铣削头及多个增材设备，其中，增材设备可以是两个，也可以是三个或四个等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种增减材复合制造设备，其特征在于，包它括床身(2)，所述床身(2)上安装有多个用于增材制造的六自由度倒挂机器人(10)和多轴联动龙门铣床；所述多个倒挂机器人分布在所述多轴联动龙门铣床的铣削头(3)周围；多个所述倒挂机器人上设有增材设备；多个所述增材设备在工作平台(1)上进行分区域协同增材制造；所述龙门铣床的铣削头(3)对单层或多层的毛坯体进行精加工和修整，两者交互或同时进行直至完成整个零部件的生产制造；

所述的多个倒挂机器人(10)由共同的机器人控制器(5)进行协同控制，所述的机器人控制器(5)和所述的增材设备中的控制器进行通信，实现增材制造的自动化，所述的机器人控制器和五轴联动龙门铣床的数控系统进行通信，二者进行协同运动。

2.如权利要求1所述的增减材复合制造设备，其特征在于，所述增材设备为电弧增材制造装备或激光熔化沉积增材制造装备。

3.如权利要求2所述的增减材复合制造设备，其特征在于，所述电弧增材制造装备包括焊机(6)、送丝机构(8)、焊枪(11)和焊机控制器(7)，所述焊枪(11)安装在多个所述倒挂机器人(10)的末端，送丝机构(8)用于为焊机提供焊料，自带或外配的保护气(9)为焊接区域提供保护气氛，焊机控制器(7)用于进行电弧增材制造工艺参数的设定，同时对保护气(9)的开关进行控制，对焊机(6)和送丝机构(8)进行实时控制。

4.如权利要求2所述的增减材复合制造设备，其特征在于，所述激光熔化沉积增材设备包括激光器(13)、激光器控制器(14)、同轴送粉喷嘴(15)和送粉器(16)；所述同轴送粉喷嘴安装在多个所述倒挂机器人(10)的末端；送粉器(16)用于为增材设备提供金属粉末，自带或外配的保护气(9)为熔化区域提供保护气氛，激光器控制器(14)用于进行激光器(13)参数的设定，同时对保护气(9)的开关进行控制。

5.如权利要求1至4中任一所述的大幅面零部件的增减材复合制造设备，其特征在于，所述倒挂机器人(10)以铣削头为中心，按两边对称分布或根据工件要求非对称分布来确定安装位置。

6.如权利要求1至4中任一所述的大幅面零部件的增减材复合制造设备，其特征在于，所述的倒挂机器人(10)为四个，其中两个机器人和铣削头位于同一个梁上，另两个机器人分别位于所述五轴联动龙门铣床的另外两个梁上。